Akustisk vågsensor på ytan
Akustiska ytvågssensorer är en klass av mikroelektromekaniska system (MEMS) som är beroende av moduleringen av akustiska ytvågor för att känna av ett fysiskt fenomen. Sensorn omvandlar en elektrisk insignal till en mekanisk våg som, till skillnad från en elektrisk signal, lätt kan påverkas av fysiska fenomen. Enheten omvandlar sedan denna våg tillbaka till en elektrisk signal. Ändringar i amplitud, fas, frekvens eller tidsfördröjning mellan de elektriska insignalerna och utsignalerna kan användas för att mäta förekomsten av det önskade fenomenet.
Enhetslayout
Den grundläggande akustiska ytvågsanordningen består av ett piezoelektriskt substrat med en interdigiterad ingångsgivare (IDT) på ena sidan av ytan av substratet, och en utgångs-IDT på den andra sidan av substratet. Utrymmet mellan IDT:erna över vilka den akustiska ytvågen utbreder sig är känt som fördröjningslinjen; signalen som produceras av ingången IDT - en fysisk våg - rör sig mycket långsammare än dess tillhörande elektromagnetiska form, vilket orsakar en mätbar fördröjning.
Drift av enheten
Akustisk ytvågsteknik drar fördel av den piezoelektriska effekten i sin funktion. De flesta moderna sensorer för akustiska ytvågor använder en interdigiterad ingångsgivare (IDT) för att omvandla en elektrisk signal till en akustisk våg.
0 Den sinusformade elektriska insignalen skapar alternerande polaritet mellan fingrarna på den interdigiterade givaren. Mellan två intilliggande uppsättningar fingrar kommer fingrarnas polaritet att ändras (t.ex. + - +). Som ett resultat kommer riktningen för det elektriska fältet mellan två fingrar att växla mellan intilliggande uppsättningar fingrar. Detta skapar alternerande områden av drag- och tryckspänning mellan fingrar på elektroden genom den piezoelektriska effekten, vilket producerar en mekanisk våg på ytan, känd som en ytakustisk våg . Eftersom fingrar på samma sida av enheten kommer att vara på samma nivå av kompression eller spänning, är utrymmet mellan dem --- känd som tonhöjden --- den mekaniska vågens våglängd. enhetens synkrona frekvens f med fashastighet v p och tonhöjd p som:
Den synkrona frekvensen är den naturliga frekvensen vid vilken mekaniska vågor ska fortplanta sig. Idealiskt bör den elektriska insignalen vara vid den synkrona frekvensen för att minimera insättningsförluster.
Eftersom den mekaniska vågen kommer att fortplanta sig i båda riktningarna från ingångs-IDT, kommer hälften av vågformens energi att fortplanta sig över fördröjningslinjen i riktningen för utgångs-IDT. I vissa enheter läggs en mekanisk absorbator eller reflektor till mellan IDT:erna och kanterna på substratet för att förhindra interferensmönster eller minska insättningsförluster .
Den akustiska vågen färdas över ytan av enhetens substrat till den andra interdigiterade givaren och omvandlar vågen tillbaka till en elektrisk signal genom den piezoelektriska effekten. Eventuella ändringar som gjordes i den mekaniska vågen kommer att reflekteras i den elektriska utsignalen. Eftersom egenskaperna hos den akustiska ytvågen kan modifieras genom förändringar i ytegenskaperna hos anordningens substrat, kan sensorer utformas för att kvantifiera alla fenomen som förändrar dessa egenskaper. Vanligtvis åstadkommes detta genom tillsats av massa till ytan eller genom att ändra längden på substratet och avståndet mellan fingrarna.
Inneboende funktionalitet
Strukturen hos den grundläggande ytvågssensorn gör att fenomenen tryck, töjning, vridmoment, temperatur och massa kan avkännas. Mekanismerna för detta diskuteras nedan:
Tryck, Töjning, Vridmoment, Temperatur
Fenomenen tryck, töjning, vridmoment, temperatur och massa kan avkännas av den grundläggande enheten, som består av två IDT: er separerade med ett visst avstånd på ytan av ett piezoelektriskt substrat. Dessa fenomen kan alla orsaka en förändring i längd längs enhetens yta. En förändring i längden kommer att påverka både avståndet mellan de sammanflätade elektroderna --- ändra tonhöjden --- och avståndet mellan IDT --- ändra fördröjningen. Detta kan kännas av som en fasförskjutning, frekvensförskjutning eller tidsfördröjning i den elektriska utsignalen.
När ett membran placeras mellan omgivningen vid ett variabelt tryck och en referenskavitet vid ett fast tryck, kommer membranet att böjas som svar på en tryckskillnad. När membranet böjs kommer avståndet längs ytan i kompression att öka. En yttrycksensor för akustisk våg ersätter helt enkelt membranet med ett piezoelektriskt substrat mönstrat med interdigiterade elektroder. Töjning och vridmoment fungerar på liknande sätt, eftersom applicering på sensorn kommer att orsaka en deformation av det piezoelektriska substratet. En temperatursensor för akustiska ytvågor kan tillverkas av ett piezoelektriskt substrat med en relativt hög värmeutvidgningskoefficient i anordningens längdriktning.
Massa
Ansamlingen av massa på ytan av en akustisk vågsensor kommer att påverka den akustiska ytvågen när den färdas över fördröjningslinjen. Hastigheten v för en våg som färdas genom ett fast ämne är proportionell mot kvadratroten av produkten av Youngs modul E och densiteten för materialet.
Därför kommer våghastigheten att minska med tillsatt massa. Denna förändring kan mätas genom en förändring i tidsfördröjning eller fasförskjutning mellan in- och utsignaler. Signaldämpning skulle också kunna mätas, eftersom kopplingen med den ytterligare ytmassan kommer att minska vågenergin. I fallet med massavkänning, eftersom förändringen i signalen alltid kommer att bero på en ökning av massan från en referenssignal med noll extra massa, kan signaldämpning effektivt användas.
Utökad funktionalitet
Den inneboende funktionaliteten hos en akustisk ytvågsensor kan utökas genom avsättning av en tunn film av material över fördröjningslinjen som är känslig för de fysiska fenomenen av intresse. Om ett fysiskt fenomen orsakar en förändring i längd eller massa i den avsatta tunna filmen, kommer den akustiska ytvågen att påverkas av de mekanismer som nämnts ovan. Några exempel på utökad funktionalitet listas nedan:
Kemiska ångor
Kemiska ångsensorer använder appliceringen av en tunnfilmspolymer över fördröjningslinjen som selektivt absorberar gasen eller gaserna av intresse. En rad sådana sensorer med olika polymerbeläggningar kan användas för att känna av ett stort utbud av gaser på en enda sensor med upplösning ner till delar per biljon, vilket möjliggör skapandet av ett känsligt "labb på ett chip".
Biologisk materia
Ett biologiskt aktivt skikt kan placeras mellan de interdigiterade elektroderna som innehåller immobiliserade antikroppar. Om motsvarande antigen finns i ett prov, kommer antigenet att binda till antikropparna, vilket orsakar en massbelastning på enheten. Dessa sensorer kan användas för att detektera bakterier och virus i prover, samt för att kvantifiera förekomsten av vissa mRNA och proteiner.
Fuktighet
Akustiska ytvågsfuktighetssensorer kräver en termoelektrisk kylare förutom en akustisk ytvågsanordning. Den termoelektriska kylaren är placerad under den akustiska ytvågsanordningen. Båda är inrymda i ett hålrum med inlopp och utlopp för gaser. Genom att kyla enheten kommer vattenånga att tendera att kondensera på enhetens yta, vilket orsakar en massbelastning.
Ultraviolett strålning
Ytanordningar för akustiska vågor görs känsliga för optiska våglängder genom fenomenet känt som akustisk laddningstransport (ACT), som involverar interaktionen mellan en akustisk ytvåg och fotogenererade laddningsbärare från ett fotoledande skikt. Sensorer för ultraviolett strålning använder ett tunt lager zinkoxid över fördröjningslinjen. När den utsätts för ultraviolett strålning genererar zinkoxid laddningsbärare som interagerar med de elektriska fälten som alstras i det piezoelektriska substratet av den akustiska vågen på ytan. Denna interaktion ger mätbara minskningar i både hastigheten och amplituden för den akustiska vågsignalen.
Magnetiska fält
Ferromagnetiska material (som järn, nickel och kobolt) ändrar sina fysiska dimensioner i närvaro av ett applicerat magnetfält, en egenskap som kallas magnetostriktion. Youngs modul för materialet är beroende av omgivningens magnetiska fältstyrka. Om en film av magnetostriktivt material avsätts i fördröjningslinjen hos en akustisk ytvågssensor, kommer förändringen i längd av den avsatta filmen som svar på en förändring i magnetfältet att belasta det underliggande substratet. Den resulterande töjningen (dvs deformationen av substratets yta) producerar mätbara förändringar i fashastigheten, fasförskjutningen och tidsfördröjningen för den akustiska vågsignalen, vilket ger information om magnetfältet.
Viskositet
Ytanordningar för akustiska vågor kan användas för att mäta förändringar i viskositeten hos en vätska som placeras på den. När vätskan blir mer viskös kommer enhetens resonansfrekvens att ändras i överensstämmelse. En nätverksanalysator behövs för att se resonansfrekvensen.